徐偉

【摘 要】地震作為自然界的一種特殊現(xiàn)象，其發(fā)生不可預(yù)知且破壞力巨大，由此引起的建筑物倒塌、人員傷亡已經(jīng)深深刺痛了人類敏感的神經(jīng)。多年來，許多學(xué)者、專業(yè)都圍繞建筑結(jié)構(gòu)抗震開展了大量卓有成效的研究，取得了很多成果。我國近幾年大震頻發(fā)，大量的災(zāi)后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，合理的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計措施可以在很大程度上降低地震所引起的建筑物損害。本文筆者結(jié)合自身結(jié)構(gòu)設(shè)計工作實踐中，從抗震概念設(shè)計、抗震計算以及結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施三個方面出發(fā)對建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計進(jìn)行了討論，以期能對同仁有所幫助。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計；概念設(shè)計；抗震構(gòu)造

近年來，世界范圍內(nèi)地震頻發(fā)，人們對建筑結(jié)構(gòu)抗震的研究也愈發(fā)重視，相關(guān)的抗震理論、抗震設(shè)計思路以及設(shè)計方法也愈加成熟。現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論已經(jīng)由最初的基于經(jīng)驗的彈性設(shè)計理論轉(zhuǎn)變?yōu)榛诜蔷€性理論的彈塑性理論，允許結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服產(chǎn)生一定量的非彈性變形從而起到消耗一部分地震能量的目的?？偟膩砜矗ㄖY(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計過程可以概括為：抗震概念設(shè)計、抗震設(shè)計以及結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施這三個方面。

1 抗震概念設(shè)計

1.1 抗震概念設(shè)計的含義

概念設(shè)計不需依靠數(shù)值計算進(jìn)行，而是以結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、結(jié)構(gòu)體系整體與分體力學(xué)關(guān)系分析、結(jié)構(gòu)震害試驗以及工程經(jīng)驗等為基礎(chǔ)，總結(jié)出相關(guān)的宏觀經(jīng)驗用以指導(dǎo)設(shè)計過程中結(jié)構(gòu)方案的確定、結(jié)構(gòu)的布置以及計算簡圖和計算結(jié)果的處理。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，抗震概念設(shè)計主要用于解決一些較為復(fù)雜難以進(jìn)行計算或規(guī)范中無具體規(guī)定的問題。

1.2 抗震概念設(shè)計的重要性

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，數(shù)值計算的同時進(jìn)行必要的概念設(shè)計意義重大。首先，地震的發(fā)生具有隨機(jī)性以及不可預(yù)測性，地震動也具有十分明顯的隨機(jī)性和復(fù)雜性，而地震作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)相應(yīng)的非常復(fù)雜，僅靠數(shù)值計算難以準(zhǔn)確把握相關(guān)規(guī)律；其次，當(dāng)前背景下的抗震設(shè)計理論都建立在一定假設(shè)基礎(chǔ)上，并不能完結(jié)構(gòu)的地震受力、變形以及破壞過程。

因此，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中有必要進(jìn)行相應(yīng)的概念設(shè)計，這樣有利于提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的準(zhǔn)確性，增強結(jié)構(gòu)的安全性。

1.3 抗震概念設(shè)計的應(yīng)用與發(fā)展

20世紀(jì)70年代以來，大量的震害經(jīng)驗表明結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中“計算設(shè)計”存在一定的缺陷，有必要開展相應(yīng)的“概念設(shè)計”。隨后，概念設(shè)計的應(yīng)用與發(fā)展在我國歷年的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中得到鮮明體現(xiàn)，結(jié)構(gòu)工程師逐步將概念設(shè)計應(yīng)用于實際工程，并取得了良好的效果。

傳統(tǒng)意義上的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，焦點都放在如何提高結(jié)構(gòu)的承載能力，不可避免地引起結(jié)構(gòu)混凝土強度等級以及配筋率的提高，相應(yīng)的建筑的造價也提高。結(jié)構(gòu)配筋率提高，結(jié)構(gòu)承載能力雖有提高，但是考慮到結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)的剛度成正比，而增加結(jié)構(gòu)的配筋卻提高了結(jié)構(gòu)的剛度，因此，加強了地震作用效應(yīng)。概念設(shè)計從降低地震作用效應(yīng)出發(fā)來避免這個矛盾而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)的抗震安全性能。最典型的方法就是隔震消能法，這種方法的根本是依靠設(shè)置在基礎(chǔ)與主體之間的柔性隔震層來加大結(jié)構(gòu)的阻尼，抑制結(jié)構(gòu)的振動，減少結(jié)構(gòu)的加速度、位移，最終降低結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)。相關(guān)的理論分析證明通過這種概念設(shè)計方法可以將結(jié)構(gòu)地震作用效應(yīng)降低4成，值得大力應(yīng)用實踐。

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，人們對于現(xiàn)代建筑的結(jié)構(gòu)形式也越趨復(fù)雜化。為了滿足人民群眾的需求，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員必須提高對概念設(shè)計重要性的認(rèn)識，不斷探索先進(jìn)的計算理論，同時注重借助現(xiàn)代計算機(jī)強大的數(shù)值計算能力，讓建筑結(jié)構(gòu)能夠滿足功能性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性的要求。

2 結(jié)構(gòu)抗震計算

結(jié)構(gòu)抗震計算工作包括地震作用計算與結(jié)構(gòu)抗震變形驗算這兩方面任務(wù)。

2.1 地震作用計算

除8、9度時的大跨度結(jié)構(gòu)與長懸臂結(jié)構(gòu)以及9度時的高層建筑需要計算豎向地震作用外，一般結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計僅僅需要驗算結(jié)構(gòu)在其2個主軸方向的水平地震作用下的強度、剛度以及穩(wěn)定性，同時認(rèn)為不同方向的結(jié)構(gòu)水平地震反應(yīng)完全由相應(yīng)方向的抗側(cè)力構(gòu)件承擔(dān)。若建筑結(jié)構(gòu)中含有交角超過15o的斜交抗側(cè)力構(gòu)件，則應(yīng)進(jìn)行各抗側(cè)力構(gòu)件所在方向的水平抗震計算。此外，對于質(zhì)量、剛度分布不具備對稱性的結(jié)構(gòu)還應(yīng)驗收結(jié)構(gòu)構(gòu)件在雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，而調(diào)整地震作用法也是考慮其他特殊結(jié)構(gòu)中扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的有效途徑。

目前常用的結(jié)構(gòu)抗震計算方法主要包括底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法以及時程分析法三種。其中，前兩種方法是基本方法，而時程分析法主要用于對嚴(yán)重不規(guī)則、特別重要性或是高度較高的高層建筑進(jìn)行抗震補充計算。其中，時程分析法（又稱動態(tài)設(shè)計法）是在地震作用下對結(jié)構(gòu)的基本運動方程進(jìn)行積分，求得結(jié)構(gòu)在整個地震歷程中的動態(tài)反應(yīng)的方法。具體實施時，選取與建筑場地相適應(yīng)的若干地震動加速度記錄或人工地震動加速度時程曲線波作為輸入結(jié)構(gòu)基本運動方程的地震作用，由輸入地震動初始狀態(tài)逐步積分至地震結(jié)束。通過積分轉(zhuǎn)換最終不僅可以得到結(jié)構(gòu)的速度、加速度反應(yīng)時程曲線，還可以進(jìn)一步得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移等時程曲線，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以據(jù)此對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震承載力與變形驗算。

2.2 結(jié)構(gòu)抗震變形驗算

通常情況下，結(jié)構(gòu)抗震變行驗算方法根據(jù)多遇地震作用與罕遇地震作用分為以下2種類型：

2.2.1 多遇地震作用

在驗算不同結(jié)構(gòu)物在多遇地震作用下的變形量時，對其樓層內(nèi)最大的彈性層間位移作如下限定：

△Ue≤[Qe]h

2.2.2 罕遇地震作用

在罕遇地震作用下，下列結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行彈塑性變形驗算：①高大單層廠房的橫向排架（8度地震III、Ⅳ類場地或與9度地震）；②鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)（7、8、9度地震且結(jié)構(gòu)ξy<0.5）；③鋼結(jié)構(gòu)（高度150m以上）；④結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中有隔震與消能減震措施的的建筑結(jié)構(gòu)。

3 抗震構(gòu)造措施

3.1 砌體結(jié)構(gòu)

磚混結(jié)構(gòu)主要通過采取一定的構(gòu)造措施來達(dá)到抗震目的。常用的抗震構(gòu)造措施包括設(shè)置圈梁、構(gòu)造柱以及對墻體進(jìn)行加固等。在磚混結(jié)構(gòu)中設(shè)置圈梁與構(gòu)造柱，使二者相互連接組成封閉骨架，增強結(jié)構(gòu)的整體性能，最終提高整個結(jié)構(gòu)的抗震能力。構(gòu)造柱通常設(shè)置在結(jié)構(gòu)的外墻轉(zhuǎn)角、內(nèi)外墻交接部以及樓梯間的四角位置。而加固墻體則需要將墻體原有抹灰鑿除，取而代之采用高標(biāo)號水泥砂漿抹灰或采用鋼筋網(wǎng)加砂漿抹灰，通過這種方式增強磚混結(jié)構(gòu)的水平承載力。

3.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造一方面通過對構(gòu)件截面h/b、承重柱u =N/（A·fc）以及構(gòu)件ρmin等指標(biāo)進(jìn)行控制來實現(xiàn)，另一方面在填充結(jié)構(gòu)中布置拉結(jié)筋、按規(guī)定在填充墻中設(shè)置構(gòu)造柱、短柱全高加密布箍等。

4 結(jié)語

總而言之，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是一個系統(tǒng)的過程，必須從全局出發(fā)、通盤考慮。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)做好結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計、抗震計算以及建筑結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施的控制，這樣才能盡最大限度地保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性能，有利于避免或降低結(jié)構(gòu)的安全性能。

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[責(zé)任編輯：丁艷]